Фильтрующий материал для тонкой очистки масел и топлив, способ его получения и применение Российский патент 2020 года по МПК B01D39/16 D01F1/00 D01F6/94 

Изобретение относится к области получения нетканых фильтрующих материалов из полимерных микроволокон, предпочтительно используемых для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом.

Известен способ изготовления фильтровальной бумаги посредством отлива бумажной массы на сетке бумагоделательной машины, отличающийся тем, что в качестве волокнистого сырья для массы используют целлюлозу сульфатную небеленую, размолотую до степени помола 22-35 ШР и целлюлозу сульфатную мерсеризованную при следующем соотношении, мас.%: целлюлоза сульфатная размолотая 60-75, целлюлоза сульфатная мерсеризованная 25-40. Бумагу дополнительно пропитывают составом 2-5% концентрации, содержащим поливинилацетатную дисперсию и гидрофобизирующее вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливинилацетатная дисперсия 90-98; гидрофобизирующее вещество 2-10. По результатам испытаний в ЦС авиа ГСМ ФГУП ГОСНИИГа, г. Москва показано, что разработанная фильтровальная бумага имеет номинальную тонкость фильтрации 3 мкм при полноте отсева более 99%. Фильтр-элементы, изготовленные из предложенной бумаги, по своим характеристикам не уступают штатным элементам ФЭ-055М, изготовленным с использованием бумаги 882/2 фирмы «Hollingsworth & Vose» (RU 2217541, 30.05.2002).

Недостатком данного способа получения материала для очистки топлив является низкая пористость фильтровальной бумаги менее 80% из-за пропитки волокон связующими веществами. Как следствие материалы, полученные данным, способом имеют в 3-4 раза более высокое аэродинамическое и гидравлическое сопротивление, чем нетканые волокнистые материалы, к которым относится настоящее изобретение. Кроме того, фильтровальная бумага подвержена вымыванию волокон вследствие увеличения перепада давления на фильтрующей перегородки и локальному впитыванию растворенной и эмульсионной воды.

Известен раствор для получения волокон электродинамическим методом формования, содержащий фенолформальдегидную смолу 3-21 мас.%, поливинилбутираль 3-7 мас.%, этиловый спирт или дихлорэтан или их смесь в соотношении 3,6-89: 3,6-89 - остальное. Показана возможность получения ультратонких волокон с диаметром 0,5-2,5 мкм (RU 2065513, 31.08.1993).

Недостатком данного способа получения волокон является отсутствие в составе раствора сшивающего агента, что не позволяет провести процесс отверждения фенолформальдегидной смолы, из которой состоят волокна. Это не позволяет эксплуатировать волокна, полученные указанным способом при температуре более 70°С и в среде физически агрессивных жидкостей - маслах и топливах.

Известен также способ получения ультратонких полимерных волокон путем электроформования из раствора полимеров, включающего неволокнообразующую фенолформальдегидную смолу и поливинилбутираль, используя в качестве органического растворителя этиловый спирт, отличающийся тем, что раствор дополнительно содержит модифицирующую добавку хлорида лития или тетрабутиламмоний йодида при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: фенолформальдегидная смола 2,5-4; поливинилбутираль 2,5-4; этиловый спирт 92-95; хлорид лития 0,01-0,1 или тетрабутиламмоний йодид 0,02-0,2. Получаемые волокна имеют диаметр от 0,06 до 0,1 мкм (RU 2527027, 13.12.2012).

Недостатком данного способа также является отсутствие в растворе сшивающего агента и как следствие невозможность применения в фильтрах очистки масел и топлив, а также при температуре более 70°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нетканого волокнисто-пористого материала непрерывным пропусканием электрически заряженного полимерного раствора через насадку, осаждением волокна на заземленную приемную поверхность с последующим удалением с нее образовавшегося материала, отличающийся тем, что в качестве полимерного раствора применяют раствор, содержащий 3-21 мас.% фенолформальдегидной смолы, 3-7 мас.% поливинилбутираля при соотношении мас. от 1:1 до 3:1 и паратолуолсульфокислоту в количестве 3-20 мас.% в расчете на фенолформальдегидную смолу, при этом после осаждения волокна проводят термообработку при постепенном подъеме температуры от 40 до 300°С со скоростью 2-10°С в час (RU 2072189, 10.06.1994).

Недостатком данного материала является отсутствие скрепления волокон между собой для создания устойчивой поры с помощью каландрования после стадии образования резитола из фенолформальдегидной смолы, термообработка материала проводится до избыточного значения в 300°С, что приводит к значительному снижению физико-механических свойств волокон. Все это в совокупности с отсутствием защитных слоев из нетканой подложки делает невозможным применение этого материала в фильтрах для топлив и масел.

Задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических свойств фильтрующего материала, создание в нем устойчивой к расклинивающему действию жидкой среды поры, при сохранении высокой пористости для фильтрации физически агрессивных жидкостей - масел и топлив при температурах до 140°С.

Поставленная задача решается фильтрующим материалом, содержащим слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенным между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон. При этом микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа, с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества, и имеют средний оптический диаметр равный 0,3-2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя, составляет 4-6 г/м².

Предпочтительно фильтрующий материал имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон, со значением пористости не менее 80%, при среднем диаметре пор 1-8 мкм, а его аэродинамическое сопротивление потоку воздуха составляет 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с.

Поставленная задача решается также способом получения фильтрующего материала, охарактеризованного выше, согласно которому электроформование микроволокон осуществляют из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.%, с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5 % от массы сухого вещества.

Предпочтительно электроформование микроволокон осуществляют по аэродинамической технологии в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянии между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-5 %, значение объемного расхода формовочного раствора устанавливается 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемного расхода воздуха 25-40 л/мин через одну форсунку.

Также предпочтительно фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь, и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит.

Поставленная задача решается также применением фильтрующего материала, охарактеризованного выше и полученного в соответствии с описываемым способом, для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С.

Устройство для получения фильтрующего материала по аэродинамической технологии электроформования описано, например, в монографии «Филатов Ю. Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс) / Под ред. В. Н. Кириченко. - М.: Нефть и газ, 1997. - 298 с».

Ниже приведены примеры получения материалов и характеристики полученных материалов.

Пример 1.

Приготавливают 15% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 7% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 8/1 для получения волокон со средним диаметром 2,0 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 100 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 40 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 25°С, относительная влажность 45%.

Образующиеся в межэлектродном пространстве волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 30 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,9 г/м² (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,8 г/м²).

После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.

После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 11 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 86%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом составляет 7,6 мкм.

Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 15 мкм.

Пример 2.

Приготавливают 12% раствор фенолформальдегидной смолы с добавкой 10% поливинилбутираля в смеси этилового спирта и этилацетата при их массовом отношении 2/1 для получения волокон со средним диаметром 1,1 мкм. Также в раствор добавляется паратолуолсульфокислота в количестве 5% от массы сухого вещества. Из приготовленного формовочного раствора проводят аэродинамическое электроформование, пропуская раствор через коллектор с форсунками, к которым подано напряжение. Напряженность поля устанавливают 2,5 кВ/см, объемный расход формовочного раствора 50 мл/ч через одну форсунку, объемный расход воздуха 35 л/мин через одну форсунку, температура в зоне электроформования 23°С, относительная влажность 50%.

Образующиеся в межэлектродном пространстве, волокна под действием электростатического поля укладываются на нетканую подложку из полиэфирных волокон, которая перемещается по поверхности металлического заземленного электрода на расстоянии 17 см от форсунок. Полученный материал сматывается в рулон. Скорость перемещения подложки устанавливается соответствующей нанесению микроволокон с массой единицы площади 2,5 г/м² (после дублирования общая масса единицы площади составит 5,0 г/м²).

После проведения процесса электроформования два рулона с одинаковым нанесенным микроволокнистым материалом дублируют фильтрующими слоями внутрь, сматывают в рулон и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол.

После этого фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Полученный фильтрующий материал обладает аэродинамическим сопротивлением потоку воздуха 20 Па при линейной скорости потока 1 см/с. При этом пористость микроволокнистого слоя составляет 84%, а диаметр средней поры, измеренный пузырьковым методом, составляет 6,1 мкм.

Номинальная тонкость фильтрации реактивного топлива ТС-1, измеренная гранулометрическим методом для опытного фильтра, собранного из данного материала составляет 10 мкм.

Примеры при других заявленных параметрах способа и характеристики полученных материалов сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

№ примера 1 2 3 4 5 6 Концентрация формовочного раствора, % 15 12 10 10 9 7 Добавка поливинилбутираля, % сухого вещества 7 7 7 7 7 7 Соотношение в растворителе этиловый спирт / этилацетат 8/1 2/1 1,3/1 1,3/1 1/1 1,5/1 Количество паратолуолсульфокислоты, % сухого вещества 3 4 5 5 5 5 Напряженность поля, кВ/см 1,0 1,5 2,5 2,5 3,0 3,0 Расстояние между электродами, см 30 17 17 17 14 10 Объемный расход раствора через одну форсунку, мл/ч 100 50 40 40 30 20 Объемный расход воздуха через одну форсунку, л/мин 40 35 35 35 30 30 Температура в зоне электроформования, °С 25 23 23 20 30 25 Относительная влажность в зоне электроформования, % 45 50 50 30 50 35 Масса единицы площади микроволокнистого слоя, г/м² 5,8 5,0 4,1 5,3 4,4 6,0 Средний оптический диаметр волокон, мкм 2,0 1,1 0,7 0,7 0,5 0,3 Аэродинамическое сопротивлением потоку воздуха при линейной скорости потока 1 см/с, Па 11 20 26 32 44 98 Пористость микроволокнистого слоя, % 86 84 83 83 82 80 Диаметр средней поры, мкм 7,6 6,1 3,9 3,3 2,5 1,1 Номинальная тонкость фильтрации, мкм 15 10 7 5 3 1

Из полученных фильтрующих материалов были изготовлены опытные фильтры, которые затем были испытаны на топливном стенде в АО "УАП "Гидравлика", г. Уфа (рабочая жидкость - реактивное топливо ТС-1) и в режиме реальной эксплуатации в гидравлической системе самолетов (рабочая жидкость - масло АМГ). Проведенные испытания показали положительные результаты.

Изобретение относится к области получения нетканых фильтрующих материалов из полимерных микроволокон, предпочтительно используемых для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом. Фильтрующий материал содержит слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенный между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон. Микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества и имеют средний оптический диаметр равный 0, -2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя составляет 4-6 г/м². Фильтрующий материал имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон со значением пористости не менее 80% при среднем диаметре пор 1-8 мкм и аэродинамическое сопротивление потоку воздуха 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с. Материал получен аэродинамическим электроформованием из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.%, с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5% от массы сухого вещества. Электроформование осуществляют в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянием между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-50%. Объемный расход формовочного раствора устанавливают 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемный расход воздуха 25-40 л/мин через одну форсунку. Фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит. Изобретение обеспечивает возможность тонкой очистки масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С от взвешенных частиц. Технический результат: повышение физико-механических свойств. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл.

1. Фильтрующий материал, содержащий слой из полимерных микроволокон, полученных электроформованием, размещенный между двумя слоями нетканой подложки из полиэфирных волокон, отличающийся тем, что микроволокна выполнены из отвержденной в резит фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества и имеют средний оптический диаметр равный 0,3-2,0 мкм, при этом масса единицы площади микроволокнистого слоя составляет 4-6 г/м².

2. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что он имеет волокнисто-пористую структуру из скрепленных в местах пересечений микроволокон со значением пористости не менее 80% при среднем диаметре пор 1-8 мкм.

3. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что его аэродинамическое сопротивление потоку воздуха составляет 15-100 Па при линейной скорости потока 1 см/с.

4. Способ получения фильтрующего материала по любому из пп. 1-3, заключающийся в том, что электроформование микроволокон осуществляют из раствора фенолформальдегидной смолы резольного типа с добавкой поливинилбутираля в количестве 7% от массы сухого вещества в смеси этилового спирта и этилацетата в соотношении 1/1-8/1 по массе при общей концентрации формовочного раствора 8-15 мас.% с добавлением в раствор отверждающего агента - паратолуолсульфокислоты в количестве 3-5% от массы сухого вещества.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что электроформование микроволокон осуществляют по аэродинамической технологии в электростатическом поле с напряженностью от 1 до 3 кВ/см, расстоянием между электродами 10-30 см, при температуре в зоне электроформования 20-30°С и относительной влажности 30-50%.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что значение объемного расхода формовочного раствора устанавливается 30-100 мл/ч через одну форсунку, а объемного расхода воздуха – 25-40 л/мин через одну форсунку.

7. Способ по пп. 4-6, отличающийся тем, что фильтрующий материал после электроформования дублируют фильтрующим слоем внутрь и подвергают термообработке в течение 24 ч при температуре 50°С для удаления остаточного растворителя, а затем в течение 10 ч при температуре 70°С для превращения фенолформальдегидной смолы в резитол, после чего фильтрующий материал каландрируют при температуре валов 105-115°С и давлении 0,3 МПа для скрепления волокон и слоев между собой, а затем подвергают последовательной термообработке в следующем режиме: 24 ч при температуре 90°С; 12 ч при температуре 110°С; 12 ч при температуре 120°С для отверждения фенолформальдегидной смолы в резит.

8. Применение фильтрующего материала, охарактеризованного в любом из пп. 1-3 или полученного в соответствии с любым из пп. 4-7 для фильтрации масел и топлив в авиационной технике и системах обеспечения топливом при температуре среды до 140°С.